Témata
Reklama

Dělení materiálů pulzním elektromagnetickým polem

18. 11. 2010

Ve Fraunhofer Institutu IWU je řešen výzkumný úkol „Dělení a spojování vysoce pevných ocelí“. V rámci tohoto úkolu je mimo jiné řešena možnost využití pulzního elektromagnetického pole pro stříhání pevných a vysoce pevných ocelových plechů. Řešení úkolu je podporováno koncernem VW a Saskou Aufbaubank.

Silné pulzní elektromagnetické pole skýtá možnost tvářet kovové součástky. Technologie je průmyslově používána pro tváření (lisování nebo rozšiřování) trubek a dutých profilů a k jejich spojování. Vzhledem k získaným zkušenostem je možné použít pulzní elektromagnetické pole (EMPT) také k výrobě součástí z plechů. Na IWU je technologie EMPT používána pro stříhání a kalibrování součástí karoserie automobilů. V současné době je dále rozvíjena s cílem vyvinout technologii tváření s vysokou pracovní rychlostí.

Reklama
Reklama
Reklama
Schéma principu systému EMPT sestávajícího z generátoru pulzů a pracovní cívky Pulsgenerator - generátor pulzů Ladeschalter - spínač nabíjení Hochstromschalter - vysokoproudový spínač Kondensator - baterie kondenzátorů Spule - pracovní cívka V diagramu: time (μs) - čas (μs)
Průběh magnetického tlaku působícího na obrobek Magnetischer Druck (N/mm2 ) - tlak magnetického pole (N.mm-2 ) Blech - plech Schneidmatrize -střižnice Rotationsachse - osa vyráběné díry Radius - poloměr (mm)

Výzkum je zaměřen na výrobu tvarových součástí z tvrdých plechů technologií děrování a stříhání, konkrétně na výrobu bočních sloupků pro model VW Passat. Dosud používané mechanické střižné nástroje vykazují velmi malou trvanlivost, a proto se zatím používá řezání laserem.  Technologie pulzního elektromagnetického pole se vyvíjí jako alternativa k oběma předešlým.

Výroba součástí tlakem magnetického pole 

Technologie EMPT je založena na působení elektromagnetického pole buzeného pomocí vhodně tvarované cívky, které je nasměrováno na opracovávanou součást. Používané proudy leží v rozsahu 100 až 2 000 kA a jsou buzeny tzv. pulzním generátorem. Pulzní generátor obsahuje baterii kondenzátorů, nabíjecí zařízení a vysokonapěťový vypínač. Pulzní generátor je napojen na pracovní cívku. Při zapnutí vypínače se během několika málo mikrosekund kondenzátory přes cívku vybijí. Vypínačem se zapíná elektrický kmitavý obvod. Energie nahromaděná v kondenzátorech je v cívce přeměněna na energii magnetickou. Cívkou protéká proud tak dlouho, až napětí na kondenzátorech klesne na nulu. Poté se kondenzátory začnou opět nabíjet. Popsaný postup vede k sinusovému průběhu proudu s měnícím se znaménkem, který je vzhledem k ohmickému odporu tlumen systémem EMPT. Napájecí frekvence leží v rozsahu několika desítek kHz.

Kompletní pracovní cívka

Nabíjení kondenzátorů probíhá v časovém rozsahu cca 5 sekund. Potřebné proudy mohou být získány z běžné sítě s 380 V/32 A. Na obr. 1 je uvedeno schéma konstrukce systému EMPT sestávajícího z generátoru pulzů a cívky, rovněž je ukázán průběh napájecího proudu.

Pracovní cívka indukuje v obrobku proud, který je opačný než proud v cívce. Protože se „protiběžné" proudy odpuzují, vzniká mezi cívkou a obrobkem magnetický tok. Ten vytváří tlak na obrobek až několik stovek N.mm-2. Horní hranice magnetického tlaku je omezena maximálním napájecím proudem přiváděným do pulzního generátoru, počtem závitů cívky, jejími rozměry a tvarem. Největším omezením však je pevnost cívky, neboť na ni působí zatížení přinejmenším stejně velké, jako působí na obrobek.

Stříhané součásti z hliníku a oceli DC04

Aby bylo možné posoudit výhodnost a využitelnost technologie EMPT v praxi, byly navrženy následující podmínky experimentů: materiál plechů DP 600, TRIP 700 a 22MnB5, tloušťka plechů 2 mm, výroba díry o průměru 30 mm. Výsledky experimentu se hodnotily podle dosažené pracovní rychlosti a podle jakosti řezané plochy. Při simulaci pomocí metody konečných prvků se ukázalo, že pro výrobu díry o průměru 30 mm (materiál plechu 22MnB5, tloušťka plechu 1,5 mm) je potřeba tlaku více než 500 MPa.

První úspěšné pokusy

 Vzhledem ke konstrukci pracovní cívky použité při experimentech a s využitím zkušeností firmy PST Products GmbH bylo s ohledem na bezpečný provoz navrženo použít zařízení pro výrobu díry do plechu o tloušťce 0,9 mm. Při řezání byl vyvozen magnetický tlak 350 MPa, při dostatečné trvanlivosti cívky. Dimenzování cívky z hlediska magnetických vlastností, požadovaného magnetického tlaku a pevnosti cívky bylo provedeno výpočtem na počítači. Průběh tlaku na obrobek byl nastaven tak, že byl buzen maximální tlak řezání mezi cívkou a opracovávaným plechem. Obrobek byl ustaven mezi pracovní cívku a matrici lisovadla. Na obr. 2 je ukázán průběh magnetického tlaku.

Součást stříhaná z materiálu 22MnB5, tloušťka plechu 0,9 mm, napájecí proud 610 kA
Výbrus stříhané plochy z materiálu 22MnB5

Na základě získaných zkušeností byla provedena rekonstrukce cívky. Na obr. 3 je zobrazeno kompletní provedení cívky. Při pokusech byl obrobek umístěn mezi pracovní cívku a lisovací matrici, vyvozený magnetický tlak umožňuje lisování bez razníku.

Z výsledků prvních pokusů byly získány následující poznatky:

  • Cívka má trvanlivost více než 1 000 pulzů.
  • Tvar díry byl vhliníku vystřižen kompletně (obr. 4 vlevo), při stříhání oceli nastalo, vzhledem kdělenému magnetickému poli, tzv. víčko - krabičkový efekt, tzn. že díra není vyříznuta úplně (obr. 4 vpravo).
  • Materiál USIBOR 1500 nebylo vzhledem kmalému magnetickému tlaku možné vzušlechtěném stavu stříhat vůbec.

Pro zlepšení výsledků řezání byly magnetické pulzy podrobeny další optimalizaci. Bylo použito vnitřní nevyztužené vinutí cívky. Tato úprava však vedla ke snížení mechanické stability cívky, tzn. že nebyly přípustné střední magnetické tlaky nad 300 N.mm-2. Na druhou stranu vedlo nové provedení vinutí cívky ke snížení indukčnosti o cca 1/3 a zajišťovalo tím vyšší maximální proud, který byl dříve omezen právě vysokou indukčností.

Tyto úpravy umožnily dosáhnout pulzním generátorem 10 kV firmy PST Products GmbH vyšší napájecí proudy a bylo možné řezat úspěšně plechy z materiálu 22MnB5, jak ukazuje obr. 5. Energie působící v příčném řezu cívky činí 19 000 J. Na obr. 6 je ukázán výbrus a jsou uvedeny hodnoty drsnosti naměřené na stříhané ploše. Na obr. 7 je výbrus a hodnoty drsnosti stříhané plochy při použití klasického razníku na zařízení ADIA7.

Výhoda elektromagnetických pulzů - bezdotykový tlak

Při řezání technologií EMPT vykazují součásti oproti klasickému stříhání razníkem vyšší „vtažení hran", ale téměř nulový otřep. Výhodou technologie EMPT je především bezdotykový tlak, tzn. že při stříhání vysoce pevných materiálů odpadá opotřebení ostří razníku.

Pomocí technologie pulzního elektromagnetického tváření je možné stříhat plechy z vysoce pevných ocelí typu 22MnB5 i ve zpevněném stavu. Tlak na zpracovávaný plech je vyvozován bezdotykově pomocí pracovní cívky. Trvanlivost cívky použité pro experimenty byla 1 000 pulzů. Pro průmyslové využití lze vhodně dimenzovanými rozměry cívky dosáhnout trvanlivosti až 2 000 000 pulzů.

Výbrus stříhané plochy z materiálu 22MnB5, tloušťka 2 mm, stříháno na stroji typ ADIA7

Řezání vysoce pevných plechů je možné

Rozhodnutí pro využití technologie elektromagnetického pulzního tváření v procesu výroby musí být založeno nejen na technické a technologické výhodnosti metody, ale také na ekonomice provozu a návratnosti vynaložených investic. V rámci řešení uvedeného výzkumného úkolu byla technická možnost využití technologie EMPT úspěšně prokázána.

Verena Kräusel, Ralph Schäfer a Lars Engelbrecht

Zdroj: MM Maschinenmarkt 4/2010

Zpracoval -VŘ-

dana.benesova@mmspektrum.com

Reklama
Vydání #11
Kód článku: 101113
Datum: 18. 11. 2010
Rubrika: Trendy / Tváření
Autor:
Firmy
Související články
Kapalina jako tvářecí medium

V dnešní době je stále více kladen důraz na sofistikovanost i ekonomickou efektivnost výrobních procesů. Současně je žádána výroba stále složitějších tvarů, vyplývajících především z designových návrhů lisovaných součástí, které dříve nebyly řešitelné jako např. výroba negativních tvarů, složitě prostorově i tvarově orientovaných trubkových dílců apod. V tomto případě lze s výhodou, namísto pevných konvenčních nástrojů, využít výrobní metody zaměřené na nepevné nástroje, jako je např. kapalina.

Jsou smíšené konstrukce dočasně za svým zenitem?

Nikdo nenamítá proti oprávněné potřebě lehkých konstrukcí v dopravě, aeronautice, obalové technice a u pohyblivých částí strojů, systémů a zařízení. Avšak jsou smíšené konstrukce s plasty vyztuženými vlákny v současnosti opravdu za svým zenitem?

Moderní způsoby ochrany vysokopevných ocelí

V posledních letech je v automobilovém průmyslu kladen stále větší důraz na snižování hmotnosti vozu, potažmo spotřeby a z ní plynoucích emisí, za současného zvýšení bezpečnosti posádky. Jednou z možností, jak splnit tyto požadavky, je nahrazení starých materiálů používaných pro výrobu určitých komponentů za nové, pevnější. Díl z pevnějšího materiálu může být tenčí a potažmo i lehčí oproti dílu původnímu, ale současně je schopen vydržet stejné, nebo i větší namáhání.

Související články
Nová řada vysekávacích lisů kombinovaných s laserem

V souladu s tradicí soustavného rozvoje produktových řad uvedla společnost Prima Power na trh kompletní novou generaci servoelektrických vysekávacích lisů kombinovaných s laserem.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Metodika kompenzace odpružení u velkoplošných karosářských výlisků

Dnešní doba je charakterizována rychlou reakcí na akceschopnost a poptávku a klade vysoké požadavky na konečné nízké provozní náklady a vysokou kvalitu všech výrobků. V ideálním případě by měly být výlisky vyráběny bez defektů. Takto dokonalého stavu ovšem není možné zatím dosáhnout. Již v minulosti bylo řadou autorů popsáno početné množství defektů, u kterých se dnes ví, jaký přístup pro jejich predikci a eliminaci zvolit. Jedná se například o zvlnění materiálu, vyčerpání plasticity, iniciace trhliny, ztenčení materiálu aj.

Nekonvenční zpracování nové generace vysokopevných výkovků

Vysokopevnostní zušlechtěné výkovky se strukturou popuštěného martenzitu v současné době představují high-end skupinu kovárenských produktů. Díky nejnovějším poznatkům z oblasti fyzikálně-metalurgických dějů probíhajících v materiálu výkovků by skupina vysokopevnostních výkovků mohla být doplněna novou generací výkovků, jejichž struktura je tvořena nekonvenčním CFB (Carbide-Free bainitem) a QP martenzitem.

Účinná a bezpečná manipulace s plechy

Každá strojírenská výroba či sklad se snaží fungovat co nejefektivněji. V manipulaci s břemeny však české firmy za těmi západními stále ještě trochu zaostávají. A to nejen v rychlosti a účinnosti, ale také v bezpečnosti. Česká společnost Walmag přitom patří již přes 25 let k předním světovým výrobcům špičkových břemenových magnetů, které zásadně usnadňují práci firmám po celém světě. Jednou z jejích specialit jsou i břemenové magnety pro manipulaci s plechy.

Vliv materiálu na kvalitu výlisku

Kvalita vstupního materiálu významně ovlivňuje výslednou kvalitu výlisku. Ověřování jeho vlastností je možné provádět různými zkouškami, mezi něž patří ověřování jeho mechanických vlastností či technologické zkoušky.

Co je nového v tvářecí technice

Oblast plošného tváření je dynamicky se rozvíjející segment výroby dílců z plechu. Mezi technologií a stroji byl v minulosti veden neustálý boj. Vždy se podařilo vyvinout technologii, která o kus dál posunula hranice zpracování těžko tvářitelných materiálů nebo tvarově složitých dílců. Velkou roli v tomto rozvoji technologií plošného tváření vždy hrál automobilový průmysl, který neustále zvyšoval požadavky na komplikovanější tvary v souvislosti s fantazií designérů.

Produktivní zpracování plechu ze svitků

Jednou z často pokládaných otázek dnešních výrobních společnosti je, jak učinit zpracování plechů ještě jednodušší, flexibilnější a ekonomičtější. Jedním z možných řešení je nahrazení klasického tabulového formátu svitky plechu.

Sestavte si svůj lis

Díky inovativnímu online konfigurátoru lisů z TOX Pressotechnik mohou konstruktéři a koncoví uživatelé navrhovat lisovací systémy pro výrobu a montáž individuálně. Veškeré navržené sestavy jsou připraveny k plnému provozu v krátkém dodacím čase a za ekonomicky přijatelnou cenu.

Stroj roste se svými úkoly

Díky vývoji stroje TruPunch 1000 přišla firma Trumpf na trh s vysekávacím lisem určeným pro segment výrobních zařízení základní úrovně, který může být postupně rozšiřován až na kombinovaný stroj. Výsledkem této evoluce je TruMatic 1000 fiber, laserový stroj vybavený spoustou pokrokových novinek, který děruje díry, ohýbá jazýčky a tváří závity.

Dopravníky k lisům a vysekávacím strojům

Akciová společnost ASTOS Machinery patří k nejvýznamnějším evropským výrobcům dopravníků k lisům a vysekávacím strojům, jakož i k CNC strojům. Dopravníky k lisům a vysekávačkám jsou principiálně realizovány ve dvou provedeních: jako článkové nebo magnetické.

Trendy v tváření: Strategická orientace v lisovnách BMW

Firma BMW používá již několik let novou strategii. Cílem je zvýšení efektivity, produktivity a udržitelnosti při dodržení vývojových trendů. Těmi jsou globalizace, ochrana životního prostředí a zachování konkurence schopnosti. Ke splnění těchto požadavků pro sériovou výrobu v lisovnách, byla v poslední době vyvinuta nová strategie na vysoké úrovni. S její pomocí se dají splnit nároky na flexibilní výrobu při současně vysoké produktivitě a kvalitě.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit